2003年数二真题、标准答案及解析

2003年考研数学（二）真题
一、填空题（本题共6小题，每小题4分，满分24分. 把答案填在题中横线上）
（1） 若0→x 时，1)1(4
12
--ax 与x x sin 是等价无穷小，则a= .
（2） 设函数y=f(x)由方程4ln 2y x xy =+所确定，则曲线y=f(x)在点(1,1)处的切线方程是 .
（3） x y 2=的麦克劳林公式中n
x 项的系数是__________.
（4） 设曲线的极坐标方程为)0(>=a e a θρ ，则该曲线上相应于θ从0变到π2的一段弧与极轴所围成的图形的面积为__________.
（5） 设α为3维列向量，T
α是α的转置. 若⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡----=111111111T αα，则
ααT = .
（6） 设三阶方阵A,B 满足E B A B A =--2
，其中E 为三阶单位矩阵，若⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡-=102020101A ，则B =________.
二、选择题（本题共6小题，每小题4分，满分24分. 每小题给出的四个选项中，只有一项符合题目要求，
把所选项前的字母填在题后的括号内）
（1）设}{},{},{n n n c b a 均为非负数列，且0lim =∞
→n n a ,1lim =∞
→n n b ,∞=∞
→n n c lim ,则必有
(A) n n b a <对任意n 成立. (B) n n c b <对任意n 成立.
(C) 极限n n n c a ∞
→lim 不存在. (D) 极限n n n c b ∞
→lim 不存在. [ ]
（2）设dx x x
a n n n
n n +=⎰+-12310
1
, 则极限n n na ∞→lim 等于 (A) 1)1(2
3++e . (B) 1)1(2
31-+-e .
(C) 1)1(2
3
1++-e . (D) 1)1(2
3-+e . [ ]
（3）已知x x y ln =
是微分方程)(y x x y y ϕ+='的解，则)(y
x
ϕ的表达式为
（A ） .22x
y - (B) .22
x y
(C) .22
y
x - (D) .22y x [ ]
（4）设函数f(x)在),(+∞-∞内连续，其导函数的图形如图所示，则f(x)有 (A) 一个极小值点和两个极大值点.
(B) 两个极小值点和一个极大值点. (C) 两个极小值点和两个极大值点.
(D) 三个极小值点和一个极大值点. [ ]
（5）0
1x dx x
02tan , 则
(A) .121>>I I (B) .121I I >>
(C) .112>>I I (D) .112I I >> [ ] （6）设向量组I ：r ααα,,,21 可由向量组II ：s βββ,,,21 线性表示，则 (A) 当s r <时，向量组II 必线性相关. (B) 当s r >时，向量组II 必线性相关.
(C) 当s r <时，向量组I 必线性相关. (D) 当s r >时，向量组I 必线性相关. [ ]
三 、（本题满分10分）
设函数 ,
0,0,0,4sin
1,6,arcsin )
1ln()(23>=<⎪⎪⎪⎩
⎪
⎪
⎪⎨
⎧
--+-+=x x x x
x ax x e x x ax x f ax 问a 为何值时，f(x)在x=0处连续；a 为何值时，x=0是f(x)的可去间断点？
四 、（本题满分9分）
设函数y=y(x)由参数方程)1(,21ln 2112>⎪⎩
⎪⎨
⎧=+=⎰+t du u e y t x t u
所确定，求.9
22
=x dx y d
五 、（本题满分9分）
计算不定积分
.)
1(2
32
arctan dx x xe x ⎰
+
六 、（本题满分12分）
设函数y=y(x)在),(+∞-∞内具有二阶导数，且)(,0y x x y =≠'是y=y(x)的反函数.
(1) 试将x=x(y)所满足的微分方程0)(sin (32
2=++dy dx x y dy
x d 变换为y=y(x)满足的微分方程； (2) 求变换后的微分方程满足初始条件2
3
)0(,0)0(='=y y 的解. 七 、（本题满分12分）
讨论曲线k x y +=ln 4与x x y 4ln 4+=的交点个数. 八 、（本题满分12分）
设位于第一象限的曲线y=f(x)过点)2
1
,22(，其上任一点P(x,y)处的法线与y 轴的交点为Q ，且线段PQ 被x 轴平分.
(1) 求曲线 y=f(x)的方程；
(2) 已知曲线y=sinx 在],0[π上的弧长为l ，试用l 表示曲线y=f(x)的弧长s. 九 、（本题满分10分）
有一平底容器，其内侧壁是由曲线)0)((≥=y y x ϕ绕y 轴旋转而成的旋转曲面（如图），容器的底面圆的半径为2 m.根据设计要求，当以min /33m 的速率向容器内注入液体时，液面的面积将以min /2
m π的速率均匀扩大（假设注入液体前，容器内无液体）.
(1) 根据t 时刻液面的面积，写出t 与)(y ϕ之间的关系式； (2) 求曲线)(y x ϕ=的方程.
(注：m 表示长度单位米，min 表示时间单位分.) 十 、（本题满分10分）
设函数f(x)在闭区间[a,b]上连续，在开区间(a,b)内可导，且.0)(>'x f 若极限a
x a x f a
x --+
→)
2(lim 存在，证
明：
(1) 在(a,b)内f(x)>0;
(2)在(a,b)内存在点ξ，使
)
(2)(2
2ξξ
f dx
x f a b b
a
=
-⎰
；
(3) 在(a,b) 内存在与(2)中ξ相异的点η，使⎰-=-'b
a dx x f a
a b f .)(2))((2
2ξξη 十 一、（本题满分10分）
若矩阵⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡=60028022a A 相似于对角阵Λ，试确定常数a 的值；并求可逆矩阵P 使.1
Λ=-AP P
十二 、（本题满分8分）
已知平面上三条不同直线的方程分别为 :1l 032=++c by ax ， :2l 032=++a cy bx ， :3l 032=++b ay cx .
试证这三条直线交于一点的充分必要条件为.0=++c b a
2003年考研数学（二）真题评注
一、填空题（本题共6小题，每小题4分，满分24分. 把答案填在题中横线上）
（1） 若0→x 时，1)1(4
12
--ax 与x x sin 是等价无穷小，则a= -4 . 【分析】 根据等价无穷小量的定义，相当于已知1sin )
1(lim 4
1
2
0=-→x
x ax x ，反过来求a. 注意在计算过程中
应尽可能地应用无穷小量的等价代换进行化简.
【详解】 当0→x 时，2
4
12
4
1~1)1(ax ax -
--，2~sin x x x . 于是，根据题设有 141
41lim sin )1(lim 22
04
120=-=-=-→→a x
ax x x ax x x ，故a=-4.
（2） 设函数y=f(x)由方程4ln 2y x xy =+所确定，则曲线y=f(x)在点(1,1)处的切线方程是 x-y=0 .
【分析】 先求出在点(1,1)处的导数，然后利用点斜式写出切线方程即可.
【详解】 等式4ln 2y x xy =+两边直接对x 求导，得 y y x
y x y '=+
'+342
， 将x=1,y=1代入上式，有 .1)1(='y 故过点(1,1)处的切线方程为 )1(11-⋅=-x y ，即 .0=-y x
【评注】 本题属常规题型，综合考查了隐函数求导与求切线方程两个知识点.
（3） x
y 2=的麦克劳林公式中n
x 项的系数是 !
)2(l n n n
.
【分析】 本题相当于先求y=f(x)在点x=0处的n 阶导数值)0()
(n f
，则麦克劳林公式中n x 项的系数是
.!
)
0()(n f n 【详解】 因为 2ln 2x y ='，2)2(ln 2x y =''，n x x y
)2(ln 2,)
(= ，于是有
n
n y )2(l n )0()
(=，故麦克劳林公式中n
x 项的系数是
.!
)2(ln !)0()(n n y n
n = 【评注】 本题属常规题型，在一般教材中都可找到答案.
（4） 设曲线的极坐标方程为)0(>=a e a θ
ρ ，则该曲线上相应于θ从0变到π2的一段弧与极轴所
围成的图形的面积为
)1(414-a
e a
π . 【分析】 利用极坐标下的面积计算公式θθρβαd S ⎰=)(2
12
即可. 【详解】 所求面积为
θθθρπθ
πd e d S a ⎰⎰==20220221)(21
=
=πθ20241a e a )1(414-a
e a
π. 【评注】 本题考查极坐标下平面图形的面积计算，也可化为参数方程求面积，但计算过程比较复杂.
（5） 设α为3维列向量，T
α是α的转置. 若⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡----=111111111T αα，则
ααT = 3 .
【分析】 本题的关键是矩阵T
αα的秩为1，必可分解为一列乘一行的形式，而行向量一般可选第一行（或任一非零行），列向量的元素则为各行与选定行的倍数构成.
【详解】 由⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----=111111111T
αα=[]111111-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-，知⎥⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎣⎡-=111α，于是
[].3111111=⎥⎥
⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡--=ααT
【评注】 一般地，若n 阶矩阵A 的秩为1，则必有[].21
2
1n n b b b a a a A ⎥⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎣⎡=
（6） 设三阶方阵A,B 满足E B A B A =--2
，其中E 为三阶单位矩阵，若⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=102020101A ，则=B 2
1
. 【分析】 先化简分解出矩阵B ，再取行列式即可. 【详解】 由E B A B A =--2
知，
E A B E A +=-)(2，即 E A B E A E A +=-+))((，
易知矩阵A+E 可逆，于是有 .)(E B E A =- 再两边取行列式，得 1=-B E A ，
因为 20
02010
1
00=-=-E A , 所以 =B 2
1
.
【评注】 本题属基本题型，综合考查了矩阵运算与方阵的行列式，此类问题一般都应先化简再计算.
二、选择题（本题共6小题，每小题4分，满分24分. 每小题给出的四个选项中，只有一项符合题目要求，把所选项前的字母填在题后的括号内）
（1）设}{},{},{n n n c b a 均为非负数列，且0lim =∞
→n n a ,1lim =∞
→n n b ,∞=∞
→n n c lim ,则必有
(A) n n b a <对任意n 成立. (B) n n c b <对任意n 成立.
(C) 极限n n n c a ∞
→lim 不存在. (D) 极限n n n c b ∞
→lim 不存在. [ D ]
【分析】 本题考查极限概念，极限值与数列前面有限项的大小无关，可立即排除(A),(B)； 而极限
n n n c a ∞
→lim 是∞⋅0型未定式，可能存在也可能不存在，举反例说明即可；极限n n n c b ∞
→lim 属∞⋅1型，必为无穷
大量，即不存在.
【详解】 用举反例法，取n a n 2=
，1=n b ，),2,1(2
1
==n n c n ，则可立即排除(A),(B),(C)，因此正确选项为(D).
【评注】 对于不便直接证明的问题，经常可考虑用反例，通过排除法找到正确选项.
（2）设dx x x
a n n n
n n +=⎰+-12310
1
, 则极限n n na ∞→lim 等于 (A) 1)1(2
3++e . (B) 1)1(2
31-+-e .
(C) 1)1(2
31++-e . (D) 1)1(2
3-+e . [ B ]
【分析】 先用换元法计算积分，再求极限.
【详解】 因为
dx x x a n n n n n +=⎰+-123101=)1(123
10
n n n
n x d x n ++⎰+
=}1]1
(1{[1)1(1
23
10
2
3
-++=++n n n n n n n x n
，
可见 n n na ∞→lim =.1)1(}1])1
(1{[lim 23
12
3-+=-++-∞→e n n n n
【评注】 本题属常规题型，综合考查了定积分计算与求数列的极限两个知识点，但定积分和数列极限
的计算均是最基础的问题，一般教材中均可找到其计算方法.
（3）已知x x y ln =
是微分方程)(y x x y y ϕ+='的解，则)(y
x
ϕ的表达式为 （A ） .22x
y - (B) .22
x y
(C) .22
y
x - (D) .22y x [ A ]
【分析】 将x x y ln =
代入微分方程，再令ϕ的中间变量为u ，求出)(u ϕ的表达式，进而可计算出)(y x
ϕ. 【详解】将x x y ln =
代入微分方程(y
x
x y y ϕ+='，得
)(ln ln 1ln 1ln 2x x x x ϕ+=-，即 x
x 2ln 1)(ln -=ϕ. 令 lnx=u ，有 21)(u u -=ϕ，故 )(y x
ϕ=.22x
y - 应选(A).
【评注】 本题巧妙地将微分方程的解与求函数关系结合起来，具有一定的综合性，但问题本身并不复
杂，只要仔细计算应该可以找到正确选项.
（4）设函数f(x)在),(+∞-∞内连续，其导函数的图形如图所示，则f(x)有
(D) 一个极小值点和两个极大值点. (E) 两个极小值点和一个极大值点. (F) 两个极小值点和两个极大值点.
(D) 三个极小值点和一个极大值点. [ C ]
【分析】 答案与极值点个数有关，而可能的极值点应是导数为零或导数不存在的点，共4个，是极大值点还是极小值可进一步由取极值的第一或第二充分条件判定.
【详解】 根据导函数的图形可知，一阶导数为零的点有3个，而 x=0 则是导数不存在的点. 三个一阶导数为零的点左右两侧导数符号不一致，必为极值点，且两个极小值点，一个极大值点；在x=0左侧
一阶导数为正，右侧一阶导数为负，可见x=0为极大值点，故f(x)共有两个极小值点和两个极大值点，应选(C).
【评注】 本题属新题型，类似考题2001年数学一、二中曾出现过，当时考查的是已知f(x)的图象去推导)(x f '的图象，本题是其逆问题. 完全类似例题在文登学校经济类串讲班上介绍过.
（5）设⎰
=
40
1tan π
dx x x I ,dx x
x
I ⎰=402tan π
, 则
(A) .121>>I I (B) .121I I >>
(C) .112>>I I (D) .112I I >> [ B ] 【分析】 直接计算21,I I 是困难的，可应用不等式tanx>x, x>0.
【详解】 因为当 x>0 时，有tanx>x ，于是 1tan >x x ，1tan <x x ，从而有 4
t a n 401π
π
>=⎰dx x x I ，
4
tan 4
2π
π
<=⎰dx x x I ， 可见有 21I I >且4
2π
<
I ，可排除(A),(C),(D)，故应选(B). 【评注】 本题没有必要去证明11<I ，因为用排除法，(A),(C),(D)均不正确，剩下的(B) 一定为正确选项.
（6）设向量组I ：r ααα,,,21 可由向量组II ：s βββ,,,21 线性表示，则 (A) 当s r <时，向量组II 必线性相关. (B) 当s r >时，向量组II 必线性相关. (C) 当s r <时，向量组I 必线性相关. (D) 当s r >时，向量组I 必线性相关. [ D ]
【分析】 本题为一般教材上均有的比较两组向量个数的定理：若向量组I ：r ααα,,,21 可由向量组II ：s βββ,,,21 线性表示，则当s r >时，向量组I 必线性相关. 或其逆否命题：若向量组I ：r ααα,,,21 可由向量组II ：s βββ,,,21 线性表示，且向量组I 线性无关，则必有s r ≤. 可见正确选项为(D). 本题也可通过举反例用排除法找到答案.
【详解】 用排除法：如⎪⎪⎭⎫
⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=10,01,00211ββα，则21100ββα⋅+⋅=，但21,ββ线性无关，
排除(A)；⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=01,01,00121βαα，则21,αα可由
1β线性表示，但1β线性无关，排除(B)；
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=10,01,01211ββα，1α可由21,ββ线性表示，但1α线性无关，排除(C). 故正确选项为(D).
【评注】 本题将一已知定理改造成选择题，如果考生熟知此定理应该可直接找到答案，若记不清楚，也可通过构造适当的反例找到正确选项.
三 、（本题满分10分）
设函数 ,
0,0,0,4sin
1,6,arcsin )
1ln()(23>=<⎪⎪⎪⎩
⎪⎪
⎪⎨
⎧
--+-+=x x x x
x ax x e x
x ax x f ax 问a 为何值时，f(x)在x=0处连续；a 为何值时，x=0是f(x)的可去间断点？
【分析】 分段函数在分段点x=0连续，要求既是左连续又是右连续，即
).00()0()00(+==-f f f
【详解】 x
x ax x x ax x f f x x x arcsin lim arcsin )1ln(lim )(lim )00(3
0300-=-+==----→→→ =1
13lim 113lim 2
20
2
2
--=--
-
-
→→x ax x ax x x
=.62
13lim
2
2
0a x ax x -=--→ 4
sin
1
lim )(lim )00(200x ax x e x f f ax x x --+==+++→→
=.4222lim 41lim 42
0220+=-+=--++
+→→a x a x ae x
ax x e ax x ax x 令)00()00(+=-f f ，有 4262
+=-a a ，得1-=a 或2-=a .
当a=-1时，)0(6)(lim 0
f x f x ==→，即f(x)在x=0处连续.
当a=-2时，)0(12)(lim 0
f x f x ≠=→，因而x=0是f(x)的可去间断点.
【评注】 本题为基本题型，考查了极限、连续与间断等多个知识点，其中左右极限的计算有一定难度，在计算过程中应尽量利用无穷小量的等价代换进行简化.
四 、（本题满分9分）
设函数y=y(x)由参数方程)1(,21ln 2112>⎪⎩⎪⎨⎧=+=⎰+t du u e y t x t u 所确定，求.922=x dx y d
【分析】 本题为参数方程求二阶导数，按参数方程求导的公式进行计算即可. 注意当x=9 时，可相应地确定参数t 的取值.
【详解】由t
et t t e dt dy t ln 2122ln 21ln 21+=⋅+=+，t dt dx 4=， 得 ,)
ln 21(24ln 212t e t t et
dt
dx dt dy dx dy +=+== 所以 dt
dx dx dy dt d dx y d 1)(22==t t t e 412)
ln 21(122⋅⋅+-⋅ =.)
ln 21(422t t e +- 当x=9时，由221t x +=及t>1得t=2, 故
.)
2ln 21(16)ln 21(42222922+-=+-===e t t e dx y d t x 五 、（本题满分9分）
计算不定积分 .)1(232arctan dx x xe x
⎰+
【分析】 被积函数含有根号21x +，典型地应作代换：x=tant, 或被积函数含有反三角函数arctanx ，同样可考虑作变换：arctanx=t ，即 x=tant.
【详解】 设t x tan =，则
dx x xe x ⎰
+232arctan )1(=tdt t t e t 2232sec )tan 1(tan ⎰+=.sin tdt e t ⎰ 又t d e tdt e t t cos sin ⎰
⎰-= =)cos cos (tdt e t e t t ⎰
-- =tdt e t e t e t t t sin sin cos ⎰
-+-， 故
.)c o s (s i n 21s i n C t t e t d t e t t +-=⎰
因此 dx x xe x
⎰+232arctan )1(=C x x x e x ++-+)111(2122arctan =.12)1(2arctan C x
e x x
++- 【评注】本题也可用分布积分法： dx x xe x ⎰+232arctan )1(=x de x x
arctan 21⎰+
=dx x e x xe x x
⎰+-+232arctan 2arctan )1(1
=x x
de x x xe arctan 22
arctan 111⎰+-+ =
dx x xe x e x xe x x x
⎰+-+-+232arctan 2arctan 2arctan )1(11， 移项整理得
dx x xe x
⎰+232arctan )1(=.12)1(2arctan C x e x x ++-
本题的关键是含有反三角函数，作代换t x =arctan 或tant=x.
六 、（本题满分12分）
设函数y=y(x)在),(+∞-∞内具有二阶导数，且)(,0y x x y =≠'是y=y(x)的反函数.
(1) 试将x=x(y)所满足的微分方程0)(sin (322=++dy dx x y dy
x d 变换为y=y(x)满足的微分方程； (2) 求变换后的微分方程满足初始条件2
3)0(,0)0(='=y y 的解. 【分析】 将dy dx 转化为dx dy 比较简单，dy dx =y dx
dy
'=11，关键是应注意： )(22dy dx dy d dy
x d ==dy dx y dx d ⋅')1( =32)
(1y y y y y '''-='⋅'''-. 然后再代入原方程化简即可.
【详解】 (1) 由反函数的求导公式知 y dy dx '
=1，于是有 (22dy dx dy d dy
x d ==dy dx y dx d ⋅'1(=32)(1y y y y y '''-='⋅'''-. 代入原微分方程得
.sin x y y =-'' ( * )
(2) 方程( * )所对应的齐次方程0=-''y y 的通解为
.21x x e C e C Y -+=
设方程( * )的特解为
x B x A y sin cos *+=，
代入方程( * )，求得21,0-
==B A ，故x y sin 2
1*-=，从而x y y sin =-''的通解是 .sin 2
121*x e C e C y Y y x x -+=+=- 由2
3)0(,0)0(='=y y ，得1,121-==C C . 故所求初值问题的解为 .s i n 21x e e y x x --=- 【评注】 本题的核心是第一步方程变换.
七 、（本题满分12分）
讨论曲线k x y +=ln 4与x x y 4ln 4+=的交点个数.
【分析】 问题等价于讨论方程04ln 4ln 4
=-+-k x x x 有几个不同的实根. 本题相当于一函数作图题，通过单调性、极值的讨论即可确定实根的个数（与x 轴交点的个数）.
【详解】 设=)(x ϕk x x x -+-4ln 4ln 4
则有 .)1(ln 4)(3x
x x x +-='ϕ 不难看出，x=1是)(x ϕ的驻点. 当10<<x 时，0)(<'x ϕ，即)(x ϕ单调减少；当x>1时，0)(>'x ϕ，即)(x ϕ单调增加，故k
-=4)1(ϕ为函数)(x ϕ的最小值.
当k<4，即4-k>0时，0)(=x ϕ无实根，即两条曲线无交点；
当 k=4，即4-k=0时，0)(=x ϕ有唯一实根，即两条曲线只有一个交点；
当 k>4，即4-k<0时，由于
+∞=-+-=++→→]4)4(ln [ln lim )(lim 30
0k x x x x x x ϕ； +∞=-+-=+∞
→+∞→]4)4(ln [ln lim )(lim 3k x x x x x x ϕ， 故0)(=x ϕ有两个实根，分别位于(0,1)与),1(+∞内，即两条曲线有两个交点.
【评注】 讨论曲线与坐标轴的交点，在构造辅助函数时，应尽量将待分析的参数分离开来，使得求导后不含参数，便于求驻点坐标.
八 、（本题满分12分）
设位于第一象限的曲线y=f(x)过点)21,22(
，其上任一点P(x,y)处的法线与y 轴的交点为Q ，且线段PQ 被x 轴平分.
(3) 求曲线 y=f(x)的方程；
(4) 已知曲线y=sinx 在],0[π上的弧长为l ，试用l 表示曲线y=f(x)的弧长s.
【分析】 (1) 先求出法线方程与交点坐标Q ，再由题设线段PQ 被x 轴平分，可转化为微分方程，求解此微分方程即可得曲线y=f(x)的方程. (2) 将曲线 y=f(x) 化为参数方程，再利用弧长公式dt y x s b
a ⎰'+'=22进行计算即可.
【详解】 (1) 曲线y=f(x)在点P(x,y)处的法线方程为
)(1x X y y Y -'
-=-， 其中(X,Y)为法线上任意一点的坐标. 令X=0，则
y x y Y '
+=， 故Q 点的坐标为).,0(y x y '+
由题设知 0)(21='
++y x y y ，即 .02=+xdx ydy 积分得 C y x =+222 (C 为任意常数). 由2122=
=x y 知C=1，故曲线y=f(x)的方程为 .1222=+y x
(2) 曲线y=sinx 在[0，π]上的弧长为
.cos 12cos 120202
dx x dx x l ⎰⎰+=+=π
π 曲线y=f(x)的参数方程为
⎪⎩
⎪⎨⎧==,s i n 22,c o s t y t x .20π≤≤t 故 dt t dt t t s ⎰⎰+=+=
2022022sin 121cos 21sin ππ
， 令u t -=2π
，则
du u du u s ⎰⎰+=
-+=202022cos 121)(cos 121
ππ =.4222l l
=
【评注】 注意只在第一象限考虑曲线y=f(x)的弧长，所以积分限应从0到
2
π，而不是从0到.2π 九 、（本题满分10分）
有一平底容器，其内侧壁是由曲线)0)((≥=y y x ϕ绕y
轴旋转而成的旋转曲面（如图），容器的底面圆的半径为2 m.
根据设计要求，当以min /33m 的速率向容器内注入液体时，
液面的面积将以min /2m π的速率均匀扩大（假设注入液体前，
容器内无液体）.
(3) 根据t 时刻液面的面积，写出t 与)(y ϕ之间的关系式；
(4) 求曲线)(y x ϕ=的方程.
(注：m 表示长度单位米，min 表示时间单位分.) 【分析】 液面的面积将以min /2m π的速率均匀扩大，因此t 时刻液面面积应为：t ππ+2
2，而液面为圆，其面积可直接计算出来，由此可导出t 与)(y ϕ之间的关系式；又液体的体积可根据旋转体的体积公式用定积分计算，已知t 时刻的液体体积为3t ，它们之间也可建立积分关系式，求导后转化为微分方程求解即可.
【详解】 (1) 设在t 时刻，液面的高度为y ，则由题设知此时液面的面积为t y πππϕ+=4)(2, 从而
.4)(2-=y t ϕ
(2) 液面的高度为y 时，液体的体积为.12)(33)(022-==⎰y t du u y ϕϕπ
上式两边对y 求导，得
)()(6)(2y y y ϕϕπϕ'=，即 ).(6)(y y ϕπϕ'=
解此微分方程，得
y
Ce y 6)(πϕ=，其中C 为任意常数， 由2)0(=ϕ知C=2,
故所求曲线方程为
.26y e x π
=
【评注】 作为应用题，本题比较好地综合考查了定积分在几何上的应用与微分方程的求解.
十 、（本题满分10分）
设函数f(x)在闭区间[a,b]上连续，在开区间(a,b)内可导，且.0)(>'x f 若极限a
x a x f a x --+→)2(lim 存在，证明：
(2) 在(a,b)内f(x)>0;
(3) 在(a,b)内存在点ξ，使
)
(2)(2
2ξξf dx x f a b b a =
-⎰； (3) 在(a,b) 内存在与(2)中ξ相异的点η，使
⎰-=-'b a
dx x f a a b f .)(2))((22ξξη 【分析】 (1) 由a
x a x f a x --+→)2(lim 存在知，f(a)=0, 利用单调性即可证明f(x)>0. (2) 要证的结论显含f(a),f(b)，应将要证的结论写为拉格朗日中值定理或柯西中值定理的形式进行证明. (3) 注意利用(2)的结论证明即可.
【详解】 (1) 因为a
x a x f a x --+→)2(lim 存在，故.0)()2(lim ==-+→a f a x f a x 又0)(>'x f ，于是f(x)在(a,b)内单调增加，故
).,(,0)()(b a x a f x f ∈=>
(2) 设F(x)=2x ,)()()(b x a dt t f x g x
a ≤≤=⎰, 则0)()(>='x f x g ，故)(),(x g x F 满足柯西中值定理
的条件，于是在(a,b)内存在点ξ，使
ξ=''=--=--⎰⎰⎰x x a b a a a dt t f x dt t f dt t f a b a g b g a F b F ))(()()()()
()()()(222， 即 )
(2)(2
2ξξf dx x f a b b a =
-⎰. (3) 因)()()0()()(a f f f f f -=-=ξξξ，在],[ξa 上应用拉格朗日中值定理，知在),(ξa 内存在一点η，使))(()(a f f -'=ξηξ，从而由(2) 的结论得
))((2)(2
2a f dx
x f a b b a -'=
-⎰ξηξ， 即有 ⎰-=
-'b a dx x f a a b f .)(2))((22ξξη 【评注】 证明(3)，关键是用（2）的结论：
⎰-=-'b a dx x f a a b f )(2))((22ξξη⇔))((2)(22a f dx x f a b b a
-'=-⎰ξηξ ))(()(a f f -'=⇔ξηξ （ 根据(2) 结论 ）
))(()()(a f a f f -'=-⇔ξηξ，
可见对f(x)在区间],[ξa 上应用拉格朗日中值定理即可.
十 一、（本题满分10分）
若矩阵⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡=60028022a A 相似于对角阵Λ，试确定常数a 的值；并求可逆矩阵P 使.1Λ=-AP P 【分析】 已知A 相似于对角矩阵，应先求出A 的特征值，再根据特征值的重数与线性无关特征向量的个数相同，转化为特征矩阵的秩，进而确定参数a. 至于求P ，则是常识问题.
【详解】 矩阵A 的特征多项式为
]16)2)[(6(60
028022
2---=------=-λλλλλλa A E
=)2()6(2+-λλ，
故A 的特征值为.2,6321-===λλλ
由于A 相似于对角矩阵Λ，故对应621==λλ应有两个线性无关的特征向量，即
2)6(3=--A E r ，于是有 .1)6(=-A E r
由 ⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡-→⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=-00000012000480246a a A E ， 知a=0.
于是对应于621==λλ的两个线性无关的特征向量可取为
⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1001ξ， .0212⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡=ξ 当23-=λ时，
⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡→⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-----=--0001000128000480242A E ， 解方程组⎩⎨⎧==+,0,02321x x x 得对应于23-=λ的特征向量.0213⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=ξ 令⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=001220110P ，则P 可逆，并有.1Λ=-AP P 十二 、（本题满分8分）
已知平面上三条不同直线的方程分别为
:1l 032=++c by ax ，
:2l 032=++a cy bx ，
:3l 032=++b ay cx .
试证这三条直线交于一点的充分必要条件为.0=++c b a
【分析】 三条直线相交于一点，相当于对应线性方程组有唯一解，进而转化为系数矩阵与增广矩阵的秩均为2.
【详解】 方法一：必要性
设三条直线321,,l l l 交于一点，则线性方程组
⎪⎩
⎪⎨⎧-=+-=+-=+,32,32,32b ay cx a cy bx c by ax (*)
有唯一解，故系数矩阵⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=a c c b b a A 222与增广矩阵⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=b a c a c b c b a A 323232的秩均为2，于是.0=A 由于 ])[(6323232222bc ac ab c b a c b a b
a c a c
b c
b a
A ---++++=---= =])()())[((3222a c c b b a c b a -+-+-++,
但根据题设 0)()()(222≠-+-+-a c c b b a ，故
.0=++c b a
充分性：由0=++c b a ，则从必要性的证明可知，0=A ，故秩.3)(<A
由于 ])([2)(22222b b a a b ac c
b b a ++-=-= =0]43)21[(222≠++
-b b a ， 故秩(A)=2. 于是，
秩(A)=秩(A =2.
因此方程组(*)有唯一解，即三直线321,,l l l 交于一点.
方法二：必要性
设三直线交于一点),(00y x ，则⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡100y x 为Ax=0的非零解，其中 .323232⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡=b a c a c b c b a A 于是 0=A .
而 ])[(6323232222bc ac ab c b a c b a b
a c a c b
c
b a A ---++++-== =])()())[((3222a
c c b b a c b a -+-+-++-,
但根据题设 0)()()(222≠-+-+-a c c b b a ，故
.0=++c b a
充分性：考虑线性方程组
⎪⎩
⎪⎨⎧-=+-=+-=+,32,32,32b ay cx a cy bx c by ax (*)
将方程组(*)的三个方程相加，并由a+b+c=0可知，方程组(*)等价于方程组
⎩⎨⎧-=+-=+.
32,32a cy bx c by ax (* *)
因为 ])([2)(22222b b a a b ac c
b b a ++-=-= =-0])([222≠+++b a b a ,
故方程组(* *)有唯一解，所以方程组(*)有唯一解，即三直线321,,l l l 交于一点.
【评注】本题将三条直线的位置关系转化为方程组的解的判定，而解的判定问题又可转化为矩阵的秩计算，进而转化为行列式的计算，综合考查了多个知识点.。